直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】
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大功率無刷直流電機(jī)的儀器與控制在小型車輛上的應(yīng)用 要: 對(duì)于小功率車輛上電動(dòng)機(jī)的選擇來說,無刷直流電動(dòng)機(jī)正變得越來越受歡迎,例如輕便摩托車、助力自行車、代步車和本文報(bào)道的機(jī)動(dòng)山板。隨著技術(shù)上的飛速發(fā)展,因?yàn)殇嚮瘜W(xué)電池優(yōu)越的充電率和輕重量,像鋰離子聚合物這樣高比能量蓄電池變得更實(shí)惠也更適合于車輛。一 些低功率車輛的內(nèi)燃機(jī)功率要求高達(dá) 7 無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)合了大功率、重量輕、低成本的優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致它正成為一種十分有利的解決方案?,F(xiàn)在有一種無刷直流電動(dòng)控制器,是專門為機(jī)動(dòng)山板應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,這個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器帶有位置傳感器,需要霍爾效應(yīng)傳感器的輸入來確定轉(zhuǎn)子位置的,許多其他的傳感器是用來監(jiān)視電動(dòng)機(jī)操作的關(guān)鍵變量,例如電機(jī)相電流、電池電壓、電機(jī)溫度和晶體管溫度。報(bào)告系統(tǒng)被一些額外的特征,例如液晶屏幕的輸出,反饋制動(dòng),時(shí)間提前,巡航和軟件啟動(dòng)等進(jìn)一步增強(qiáng)。這些功能將在下文進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。 關(guān)鍵詞: 位置傳感器的 無刷直流電機(jī)控制器 ; 再生制動(dòng) ; 時(shí)間提 前 ; 電動(dòng)滑板 ;霍爾傳感器。 1 介紹 機(jī)動(dòng)山板能幫助使用者進(jìn)行極限登山運(yùn)動(dòng),一般限于下坡,到平坦地區(qū)和上坡面。這給用戶更廣泛的登山位置選擇。 一種外轉(zhuǎn)子 經(jīng)被投入應(yīng)用。這種電機(jī)因其低速( 130),高轉(zhuǎn)矩特性,同時(shí)減少了傳動(dòng)裝置而被青睞,一個(gè)比例為 1 的傳動(dòng)裝置被用來直鏈驅(qū)動(dòng)。裝置配備功率為 80100機(jī),該電機(jī)足夠用來驅(qū)動(dòng)速度大約在 70km/h 的小型交通工具。然而,由于驅(qū)動(dòng)裝置和電池電壓的原因使得登山車的速度限制 在 50km/h 的水平。所以,增大了的輪動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠保證裝置爬上險(xiǎn)峻的山脈。 無霍爾傳感器的電機(jī)要求產(chǎn)生可測(cè)量的反電動(dòng)勢(shì)傳遞給電機(jī)控制器,以便能夠確定轉(zhuǎn)子位置的,但因此不能提供換向平穩(wěn)啟動(dòng)和低速。相反,一個(gè)裝有位置傳感器的 夠在任何速度下確定轉(zhuǎn)子位置。同時(shí),在啟動(dòng)過程中,可以順利換相。專用裝有傳感器的 此而產(chǎn)生的。 2 電氣系統(tǒng)綜述 司的 合信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)可編程微控制器,已被用來根據(jù)來自不同傳感器的輸入信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路的。該控制器運(yùn)行用 環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動(dòng)機(jī)控制器的運(yùn)行。圖 1 顯示功能塊的電機(jī)控制器。 圖 1 電機(jī)控制器主要部件的概述 該電動(dòng)機(jī)控制器使用一個(gè)三相 H 橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 這種電路被選中 ,是因?yàn)樗试S電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行 ,以及滑行 。如圖 2 所示三相 H 橋的原理圖。 圖 2 驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的三相 H 橋電路 電機(jī)控制器應(yīng)滿足電機(jī)的特殊要求,能夠供給連續(xù) 5S 提供 48V 電壓下的130A 電流,并能夠連續(xù)提供至少 40A 的電流。 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管( )。它們的優(yōu)勢(shì)在于低成本及在兩個(gè)聯(lián)條件下的電流導(dǎo)通能力 [1]。為獲得 130A 的目標(biāo)電流,兩個(gè) 橋。 在微控制器和 間使用柵極驅(qū)動(dòng)器 原因有三: 自單片機(jī)的邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為低側(cè)晶體管 12V 信號(hào),使得 于驅(qū)動(dòng)高側(cè)柵極 電壓到 12V 以上,使得飽和。 橋提供直通可編程死區(qū)時(shí)間保護(hù)。 柵極驅(qū)動(dòng)器 柵極之間柵極電阻是用來減緩晶體管的開關(guān)時(shí)間。這是為了減少通過 電機(jī)繞組 [2]的電流變化率( )。當(dāng)晶體管接通或關(guān)斷時(shí)電機(jī)繞組會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)(自感),電勢(shì)的大小和通過繞組的電流變化率成正比。這個(gè)感應(yīng)電壓可能會(huì)導(dǎo)致晶體管體承受電壓超過 級(jí),導(dǎo)致它們損壞。設(shè)計(jì)這些柵極電阻和并聯(lián)的晶體管在某種意義上 [3]可以減少電路振蕩問題。圖 3 為一個(gè)在半橋路中能夠減小振蕩的柵極電阻電路的原理圖。如果需要更多的晶體管并聯(lián),電路可以進(jìn)行擴(kuò)展。 圖 3 柵極電阻的電路圖,以盡量減少 極振蕩 對(duì)于保護(hù)晶體管,僅僅減緩晶體管的開關(guān)時(shí)間是不夠的;母線電容器也被用于吸 收尖峰電壓 [2]。由于存在非常高的電壓尖峰的頻率(約 50 低等效串聯(lián)電阻( 容是必需的。標(biāo)準(zhǔn)的電解電容的速度難以實(shí)現(xiàn)吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓。 電機(jī)控制器的電路采用了霍爾效應(yīng)電流傳感器來測(cè)量電機(jī)的相電流。如果相電流超過設(shè)定的限制,電機(jī)控制器切斷電機(jī)電源,以防止電機(jī)繞組和晶體管由于電流超過最大額定值而被損毀?;魻栃?yīng)電流傳感器的輸出是一個(gè)模擬信號(hào),它和流過導(dǎo)線的電流大小成比例。本應(yīng)用中還裝有一個(gè)雙向電流傳感器,以測(cè)量再生制動(dòng)的電流。 電機(jī)控制器還使用電壓傳感器電路以測(cè)量電池的電壓。如果電壓低于 規(guī)定的最小電池電壓,電機(jī)控制器將切斷電機(jī)電源。它的作用非常重要,因?yàn)榭梢苑乐惯^分使鋰離子聚合物電池組放電,永久地降低電池的容量 [4]。由于寬范圍的工作電壓,電動(dòng)機(jī)控制器能夠在(從 16V 到 70V)電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器電路和一個(gè)低通 波器代替電平移位器進(jìn)行電壓檢測(cè)。 溫度傳感器安裝在電機(jī)和晶體管的散熱片上,如果任一溫度超過預(yù)設(shè)值,電機(jī)控制器切斷電機(jī)電源。主板上的溫度傳感器也可用于監(jiān)測(cè)微控制器的溫度。同樣,如果微控制器過熱,電機(jī)控制器將切斷電源。 電機(jī)控制器集成了一個(gè)簡(jiǎn)單的再生制 動(dòng)功能。在平面或上坡過程中的再生能量很少。然而,由于再生制動(dòng)是唯一一種能夠防止把動(dòng)能簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換成熱能,使得晶體管散熱片和電機(jī)溫度升高的制動(dòng)方法,所以被本設(shè)計(jì)采納。 反電勢(shì)的實(shí)現(xiàn),是借用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換電路將電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)提高到一個(gè)比電池電壓更高的水平。圖 4 給出一個(gè)基本的升壓轉(zhuǎn)換電路 [5]。 圖 4 壓轉(zhuǎn)換電路 該電路無需任何額外的硬件實(shí)現(xiàn)。使用三相 H 橋低側(cè)晶體管作為開關(guān)裝置、電機(jī)繞組作為電感,而高側(cè)反激二極管作為升壓轉(zhuǎn)換電路中的二極管。三條電路投入使用,每條對(duì)應(yīng)其中一相。 通過改變低側(cè)晶體管的 空比來改變?cè)撋龎恨D(zhuǎn)換器的輸出電壓。隨著輸出電壓的增大,充電電流增加,導(dǎo)致增加的制動(dòng)力。因此,通過讀取制動(dòng)桿的位置并相應(yīng)地調(diào)整占空比來控制制動(dòng)力。 充電電流必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi),以防損壞電池組。本應(yīng)用中使用的鋰離子聚合物電池組,最大充電電流為 20A。通過計(jì)算 20A 的充電電流能夠提供足夠的制動(dòng)力, 3s 內(nèi)能將速度從 30 公里 /小時(shí)降到 0。 定時(shí)超前在有刷與無刷直流電機(jī) [6]中均有應(yīng)用。有刷直流電機(jī)中,是通過機(jī)械地移動(dòng)電刷相對(duì)于電機(jī)繞組的位置來實(shí)現(xiàn)。 機(jī)中,是利用電子整流控制電機(jī)使得它比 正常運(yùn)行時(shí)提前。 在理想的情況下,定時(shí)提前量(用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的角度表示)可以從零速時(shí) 0°連續(xù)變化到最大速度下的電角度數(shù)。這是可以通過微控制器做到的,但它需要大量的處理過程,并需要專用的微控制器 [7]。大量的處理是必需的,因?yàn)槲⒖刂破鞅仨毻ㄟ^電機(jī)的速度預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子的下一個(gè)位置時(shí),然后計(jì)算最后一個(gè)電機(jī)位置換相和下一個(gè)換相提前角之間的延時(shí)。有了這些信息,微控制器在上一個(gè)過渡后一個(gè)計(jì)算好的時(shí)間觸發(fā)。 此應(yīng)用中,已采取了一種簡(jiǎn)單的定時(shí)超前,兩套霍爾效應(yīng)傳感器已被安裝在電機(jī)內(nèi)部。一組定位為中性定時(shí),而另一組 則位于 30°(電機(jī)旋轉(zhuǎn))偏離中性時(shí)間設(shè)定。第二組的霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào) 30°超前或者 30°滯后。通過電機(jī)在 件下的最佳超前時(shí)間來確定超前電機(jī)角度, 行環(huán)境在 42外,因?yàn)殡姍C(jī)有一個(gè) 12 極定子,每極間隔相差 30°。這意味著無論是中性定時(shí),還是超前定時(shí)的霍爾傳感器,可以很方便地安裝在定子磁極之間的間隙中。圖 5 分別示出中性和 30°超前電機(jī)位置傳感器的信號(hào)波形。前三個(gè)波形來自中性定時(shí),后三個(gè)來自超前定時(shí)設(shè)置的電機(jī)位置傳感器。這顯示了超前定時(shí)超前中性定時(shí) 30°電角。 圖 5 中性和 30°超前電機(jī)位置傳感器的信號(hào)波形 有了這個(gè)超前定時(shí)角度,它也可以從第二組霍爾傳感器反向產(chǎn)生超前 30°的信號(hào)。這是因?yàn)槌?30°和延遲 30°在相移 60°(這是電機(jī)的位置轉(zhuǎn)換之間的間距)條件下等價(jià)。這將導(dǎo)致 30°延遲信號(hào)位置一直滯后于超前 30°信號(hào)。通過產(chǎn)生這第三個(gè)信號(hào),機(jī)動(dòng)板很可能在正、反方向都使用 30°超前定時(shí)。微控制器能夠更具電機(jī)速度在中性定時(shí)和超前定時(shí)間進(jìn)行切換。該軟件利用遲滯,設(shè)定超前定時(shí)時(shí),轉(zhuǎn)速 4800 轉(zhuǎn);中性定時(shí)時(shí),轉(zhuǎn)速 4700 轉(zhuǎn)。 3 軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)使用定制軟件進(jìn)行編程,以允許這種電機(jī) 控制器擁有唯一的附加功能。該軟件主要是基于中斷的,以提高計(jì)算效率和可靠性。 每次微控制器讀取一個(gè)模擬輸入信號(hào),總共 8 個(gè)連續(xù)的讀數(shù),并計(jì)算和使用這些讀數(shù)的平均值來設(shè)置新的變量被讀取。這有助于進(jìn)一步減少來自各種傳感器的模擬信號(hào)噪聲的影響。 距離測(cè)量是通過計(jì)算新的電機(jī)位置的數(shù)量。對(duì)于這個(gè)特殊的馬達(dá),在一個(gè)電氣旋轉(zhuǎn)周期轉(zhuǎn)子有 6 種不同位置方式和一個(gè)物理周期內(nèi) 7 次換相。 通過車輪直徑 200傳動(dòng)比為 ,可以計(jì)算當(dāng)電機(jī)位置達(dá)到 254 時(shí),山板將前進(jìn) 1 米。當(dāng)“新位置”計(jì)數(shù)器達(dá)到 254,距離計(jì)數(shù)器就增加 1,“新位置 ”計(jì)數(shù)器復(fù)位到零。 速度測(cè)量是通過使用一個(gè)山板上的定時(shí)器測(cè)量連續(xù)兩個(gè)電機(jī)的時(shí)間間隔。一個(gè)位置增量移動(dòng)的距離是已知的,因此可以計(jì)算出速度。在高速行駛時(shí),平均每8 轉(zhuǎn)讀取一次以提高精度。圖 6 示出了電機(jī)控制器的軟件的基本流程圖。 圖 6 微機(jī)程序的基本流程圖 A.軟啟動(dòng) 軟啟動(dòng)功能的目的是為了保護(hù)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在啟動(dòng)過程被沖擊電流損壞。這是必需的,因?yàn)楫?dāng)電機(jī)在低速或靜止的,幾乎沒有反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)阻止電壓施加到電機(jī)端子。因此,電源電壓和反電動(dòng)勢(shì)電壓時(shí),電機(jī)兩端承受的電壓有很大區(qū)別。沒有反電動(dòng)勢(shì),電機(jī)承受很大 的電壓。電路中唯一的電阻是導(dǎo)通晶體管電阻( 2), [9],電機(jī)繞組( 2),還有非常低的導(dǎo)線電阻。因此,當(dāng)電機(jī)處于靜止或以低速運(yùn)行,電流可以達(dá)到相當(dāng)大的水平。 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí),軟啟動(dòng)功能限制電動(dòng)機(jī)兩端的電壓,可以用作速度控制。這是通過設(shè)置在零速時(shí)允許的最大占空比為 5%,而在 1900 加到 100%。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)的程序在主循環(huán)中,因此不會(huì)影響基于中斷操作的功能。 B.巡航 巡航控制功能采用 制,使得速度保持 設(shè)定上。設(shè)定點(diǎn)取為激活手持遙控巡航開關(guān)那瞬間的速 度。 制器的 空比的變化,以確保當(dāng)小車爬山時(shí),隨著負(fù)荷的變化,速度固定在設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)用戶應(yīng)用剎車,巡航控制功能被禁用。當(dāng)用戶停止使用制動(dòng)器時(shí),新的速度作為設(shè)定點(diǎn)。比例系數(shù)和積分系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)獲取。 4 手持控制器 機(jī)動(dòng)山板的用戶界面是一種手持式控制器。此手持控制器中使用的無線遙控汽車發(fā)射器的外殼為基礎(chǔ)。這個(gè)外殼被修改,剝出的電路板,切斷電池槽,安裝一個(gè) 塊到它里面。觸發(fā)機(jī)制被保留,作為油門和剎車控制(拉回到觸發(fā)加速,推動(dòng)制動(dòng))。這里利用了兩個(gè)可變電阻器(旋轉(zhuǎn)式電位器),一個(gè)是用來設(shè)置控制器的最大 占空比。這個(gè)可以限制 最大速的功能是非常有用的,尤其是第一次用這個(gè)設(shè)備。其他可變電阻是用來循環(huán)各種顯示在 塊上的數(shù)據(jù)。電動(dòng)機(jī)控制器所使用的有兩個(gè)開關(guān),一個(gè)用來打開控制器開啟和關(guān)閉,另一種是用來作為巡航控制通 /斷開關(guān)。 手持控制器成品圖如圖 7 所示。 液晶屏只有足夠大能夠顯示兩行 16 個(gè)字符。為了顯示更多的數(shù)據(jù),手持設(shè)備上的一個(gè)可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇,這里有六個(gè)數(shù)據(jù)顯示: 顯示當(dāng)前速度,行駛距離,電池電壓和瞬時(shí)功率輸。 2.溫度畫面: 顯 示晶體管,電動(dòng)機(jī)的溫度微控制器,以及環(huán)境溫度。 3.最大值屏幕: 顯示的最大速度達(dá)到最大電流消耗 在運(yùn)行過程中,最大輸出功率。 4.二級(jí)數(shù)據(jù)畫面: 顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)。 5.程序的 I / O 畫面: 顯示用戶設(shè)置的最大占空比,錯(cuò)誤代碼,并從電機(jī)控制器程序故障代碼。 6.調(diào)試畫面: 顯示瞬時(shí)占空比,轉(zhuǎn)把輸出值(用于設(shè)置 空比的值),并且將晶閘管切換到當(dāng)前狀態(tài)。 圖 7 手持控制器 五 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:用卷尺測(cè)量時(shí),該板的距離測(cè)量對(duì)測(cè)量精確到 ? 這種測(cè)量的分辨率使軟件測(cè)量分辨率低至 4 毫米。然而,在測(cè)量中,通過在引入不確定性直徑的車輪。因此,直徑、氣壓的變化、和騎手的質(zhì)量都是不確定因素。 實(shí)驗(yàn)證明在 400 米田徑跑道繞場(chǎng)一圈存在 1 米的誤差。 也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試主板上的速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。把速度設(shè)定在 7 公里 /小時(shí),并在這樣的速度舉行。然后緊緊粘貼 5 米卷尺。錄像被檢測(cè),以確定行駛 5 米的距離所花費(fèi)的時(shí)間。據(jù)計(jì)算,里 /小時(shí)。重復(fù)試驗(yàn)設(shè)定速度為 25 公里 /小時(shí)。此運(yùn)行計(jì)算的實(shí)際 里 /小時(shí)。這些設(shè)定結(jié)果比實(shí)際速度稍低,但它在 25 公里 /小時(shí)的速度下誤差在 1 公里 /小時(shí)以內(nèi)。 六 結(jié)論和發(fā)展 作為一個(gè)原型,還有很大提升空間。其中一個(gè)領(lǐng)域就是基于位置傳感器讀數(shù)電機(jī)換向。目前這是通過在 30 千赫的頻率下讀取電機(jī)位置的進(jìn)行檢測(cè)。 以更有效地完成基于中斷的觸發(fā)換向功能。它有 4個(gè)外部中斷引腳,可以任意配置是上升沿或下降沿。因此六個(gè)外部中斷引腳將需要以觸發(fā)中斷為電機(jī)提供位置換相。所以需要改用不同的微控制器,允許電機(jī)換向完全基于 中斷的。這將提高換相準(zhǔn)確度,并顯著地減少所需的計(jì)算資源。
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